基于工業以太網以及可編程控制器的電加熱溫控系統設計研究

蘇安輝

(遼寧機電職業技術學院，遼寧 丹東 118009)

基于工業以太網以及可編程控制器的電加熱溫控系統設計研究

蘇安輝

(遼寧機電職業技術學院，遼寧 丹東 118009)

現階段的工業生產當中，運用最為廣泛的溫控系統是基于單片機設計的系統，單片機造價相對低廉，同時操作也較為簡單，但是其無法完成較為復雜的任務，一般只能作為一種溫度監控與控制的裝置，在一些領域當中的應用受到了很大的限制.而在化工行業當中，溫度的控制需要非常的精細，同時溫度控制的環境也相對較為復雜，單片機溫度控制系統無法達到所要求的控制精細程度，同時也無法在復雜的環境當中工作.基于此種情況，必須要研發一種新型的電加熱溫度控制系統.本文所研發的工業以太網電加熱溫度控制系統是以西門子S7-200PLC作為控制器，從而實現PID的控制，此外與上位機之間的通訊建立則是通過工業以太網通訊模塊當中的CP243-1實現的.

工業以太網；可編程控制器；電加熱溫度控制系統

0 引言

圖1 基于工業以太網與可編程控制器的電加熱溫度控制系統硬件組成

在大部分的化工實驗當中，都需要對溫度進行非常精細地控制.當前階段在化工實驗當中使用最為廣泛的電加熱溫控系統往往是一種慣性較大，同時具有較強非線性的電加熱系統.但是在化工實驗的過程當中，各種不同類型的物理與化學反應同時進行，此外還存在著較多的不確定影響因素，從而使得溫度控制的過程面臨著許多的實際困難.如果采用傳統的人工溫度控制操作具有非常大的煩瑣性，不利于生產效率的提高，此外人為因素還會對試驗的結果產生較大的影響，而基于單片機的溫度控制裝置的溫控效果相對較差，不能滿足實際的使用要求，同時由于化學工藝的不斷發展，化學工藝當中的溫度自動控制對于實驗與生產的順利進行也提出了更高的要求.基于此種情況，必須要研發一種新型的電加熱溫度控制系統[1]5-10.本文所研發的工業以太網電加熱溫度控制系統是以西門子S7-200PLC作為控制器，從而實現PID的控制，此外與上位機之間的通訊建立則是通過工業以太網通訊模塊當中的CP243-1實現的.這種電加熱溫度控制系統可以實現非線性的系統溫度控制功能[2]11-15.

1 系統的硬件設計

本文所研發的基于工業以太網與可編程控制器的電加熱溫度控制系統的硬件構成如圖1所示.該系統的工作原理是通過總線控制相關的計算機、控制器以及調壓板，從而組成一種可以實現自動控制的裝置，該裝置可以實現化工實驗當中的電加熱水浴裝置的溫度控制[3]12-16.

1.1 可編程控制器控制站

在該系統當中最主要的控制器為西門子S7-200PLC，西門子S7-200PLC在結構方面較為緊湊與可靠，可以很好地適應溫度控制的環境，此外，該設備的生產工藝已經較為成熟，已經實現工業化生產，在成本方面相對較為低廉，但是卻具有較為強大的功能.對PLC的軟件進行編程處理就可以實現對PID的控制；該系統的測溫原件采用的則是Pt100熱電阻，采用西門子EM231模塊作為溫度模擬量的采集.所有的信息首先都需要經過PLC進行輸入，在輸入系統之后，PID則會對信號進行計算，而被處理與計算之后的信號則是通過電阻模塊進行輸出，輸出的信號一般為4～20mA的電流信號[4]13-19.該系統的調壓板采用的是PAC15P調壓板，調壓板在接收到相關的輸出信號之后就會根據對應的電流對電壓進行調整，從而實現對化工實驗當中的水浴裝置的溫度控制.

1.2 操作站

在該電加熱溫度控制系統當中，采用PC總線作為整個系統的操作站，計算機的操作系統則采用Windows XP系統，采用組態王作為監控軟件.操作站需要具備實現人機交互的基本功能，在操作站當中工作人員實現對溫度參數的設定以及PID參數的設定，此外還可以觀察當前的溫度控制情況以及相關的溫度控制記錄數據.

1.3 通訊方式

在該電加熱與溫度控制系統當中最為關鍵的因素在于上位機、PLC與組態軟件的通訊實現，本文所研發的溫度控制系統采用工業以太網實現了以上3方之間的通訊.對西門子S7-200的CPU進行一定的改裝之后就可以實現對工業以太網的完美支持，即為CUP加裝CP24-1以太網模塊.通過CP24-1以太網模塊控制器就可以將系統連接到以太網的通訊處理器當中，從而實現通過以太網對控制器進行遠程組態、編程和診斷.此外西門子S7-200還可以實現與其他不同類型的控制器之間的通訊，同時還可以實現控制器與服務器之間的通訊[5]6-9.

2 可編程控制器PID控制算法的軟件實現

在一般的工業生產過程當中，對于連續變化的量的模擬往往需要采用一種閉環的方式進行，不論是在計算機還是在控制器當中，PID控制都具有非常重要的作用，同時也具有較為廣泛的運用，在本文所研發的系統當中，PID的控制采用的是可編程的數字控制系統，周期采樣偏差的PID算式如下所示：

Mn=Kc*(SPn-PVn)+Kc*Ts/T1*(SPn-PVn)+MX+Kc*TD/TS*(PVn-1-PVn)

式中：Mn為時刻n采樣所得到的計算值；Kc為增益；SPn表示采樣時所給定的數值；PVn表示時刻n采樣的過程值；Ts表示相鄰兩次采樣之間的時間間隔(采樣周期)；T1表示積分時間；MX表示的是在采樣時刻n-1的積分項；TD表示的則是微分時間[6]17-20.

在西門子S7-200當中最為關鍵的功能為PID指令功能，PID指令的實現需要系統為其指定一個以V變量存儲區地址開始的PID回路表以及PID回路號.在系統給定的PID回路表當中，提供了系統的給定以及反饋的結果，同時還包含PID數據在內的參數入口等內容，此外，PID運算所得到的相關結果也往往也是通過回路表進行輸出的.在本文所研發的電加熱溫度控制系統當中，工作人員所輸入的溫度控制調節數值就是給定值，PID控制的主要目標就是實現實驗內部的溫度變化與給定的數值之間保持著較為接近的水平，同時這種趨勢也要處于一種較為穩定的狀態當中，另一方面系統還自動處理對控制效果產生影響的各種因素[7]6-7.進行PID運算的主要目的就是對反饋的內容與給定值之間的差異進行分析，同時按照PID的相關運算規律計算出所需要的結果，并將結果輸送到調壓板當中，調壓板的電壓值就會隨之發生變化，從而引起溫度的變化.在該系統當中所使用的指令向導可以實現PID參數的快速設置，在完成相關的參數設置之后，PID程序就可以實現自動生成.為PID指令指定一個以V100變量存儲區地址開始的PID回路表 ,同時指定其回路號為O.所謂的溫度的給定量以及相關的過程變量都是實際工藝參數的相關數值，PID的相關指令并不能實現對這些參數的直接計算，必須要將相關的參數轉化成與之對應的實數.此外數據的輸出也需要進行必要的處理才能被輸送通道輸出，當PID指令檢測到信號的跳變從0變到1之后，PID指令就會執行相關的控制動作[8]5.

3 工業以太網通訊

在本文所研發的電加熱溫度控制系統當中，控制器西門子S7-200PLC可以實現對多種通信網絡的支持，但是必須要通過以太網擴展模塊才能實現這種功能.在該系統的通訊設計當中，最關鍵的因素在于需要實現控制器與編程軟件之間的通訊以及服務器與組態王之間的數據互換，具體內容如圖2當中所示.

圖2 基于工業以太網與可編程控制器的電加熱溫度控制系統通信系統

若要實現工業以太網與控制器之間的連接，可以使用以太網向導組態來對以太網模塊進行組態，在這個過程當中以太網向導組態可以對相關模塊的參數進行設定，同時保存在文件夾當中，在組態的過程當中，需要對CP243-1在控制器當中的位置進行定位，同時還需要定位傳輸類型與網絡地址，另一方面還需要指定控制器作為連接的運行設備，最后還需要指定通訊的最終點、以及冬天數據在CPU當中的數據存儲區.在完成組態相關工作之后，子例行程序就會自動生成，從而實現以太網模塊的初始化與監控[9]1166-1168.

圖3 溫度控制影響曲線分析

該系統的數據傳輸采用Access軟件實現與客戶端組態軟件的數據交互 ,從而最終實現組態王與控制器之間通過工業以太網進行通訊.

4 電加熱溫控實驗結果

在完成該系統的生產之后，對該系統進行了實驗.在開始控制之前，相關參數的設定如下：積分時間Ti為20 min，微分時間Td=3 s，比例系數設定為Kc為15，溫度初始值為40 ℃，結果如圖3所示.

從圖3當中我們可以看出，雖然該水浴實驗存在著較大的非線性與滯后性，但是在該溫度控制系統的控制之下，可以穩定工作，同時調量也相對較小.

5 結語

在本文當中，筆者研發了一種基于工業以太網與可編程控制器的電加熱溫度控制系統，在該系統當中采用西門子S7-200自帶的PID控制回路對溫度進行控制，同時采用基于以太網的通訊方式實現不同組件之間的通訊.工業以太網的價格相對較為低廉，同時也具有較高的開放性與兼容性，在維修方面也存在著較大的優點.實驗結果表明，該溫度控制系統具有較高的可靠性，值得在工業生產當中大力推廣.

[1] 李 堤.基于工業以太網的啤酒生產控制系統開發與啤酒發酵設定溫度的優化[D].杭州：浙江大學，2007.

[2] 胡曉宇.氮化鎵有機化合物氣相淀積(GaN MOCVD)設備控制系統研究[D].長沙：國防科學技術大學，2009.

[3] 韓 林.基于LM3S系列ARM的便攜式氣相色譜儀控制系統研究[D].成都：西華大學，2011.

[4] 莫 楠.網絡控制系統實驗裝置的模糊控制實驗平臺研究[D].長沙：中南大學，2005.

[5] 曾志鋒，譚志華.工業以太網在啤酒發酵溫度模糊控制系統中的應用[J].廣東輕工職業技術學院學報,2010,09(04).

[6] 黃小波.基于AT89S52單片機的以太網遠程監控系統的設計[J].自動化與信息工程, 2008,29(04).

[7] 沈 兵,樊利民.基于RTL8019以太網控制器的遠程溫度監控系統設計[J].科技創新導報，2008(35).

[8] 楊佳佳,張崇巍.基于以太網的遠程溫度控制系統的設計[C]//電子測量與儀器學報雜志社.第十七屆全國測控計量儀器儀表學術年會(MCMI'2007)論文集(上冊).北京：電子測量與儀器學報雜志社,2007.

[9] 趙丹丹，鄒志云，韓大偉，等.基于可編程控制器和工業以太網的電加熱溫控系統設計[J].計算機與應用化學，2006(11).

[責任編輯 梧桐雨]

2016-11-20

院級科研啟動基金項目“基于校園網的數字廣播直播平臺的開發與建設”(2012011)

蘇安輝(1980- )，男，吉林四平人，遼寧機電職業技術學院實驗師，主要從事電氣工程自動化研究。

TP273

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1671-8127(2017)01-0088-03